船舶電力推進系統(tǒng)中的諧波抑制
1 引言
船舶綜合全電力推進系統(tǒng)是現(xiàn)行船舶平臺的電力和動力兩大系統(tǒng)發(fā)展的綜合，它適合于不同種類的船舶。世界各國都在針對船舶綜合全電力推進系統(tǒng)進行深入的研究，國外已經(jīng)開發(fā)了多種類型的綜合全電力推進系統(tǒng)并在多型船舶上應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，在80年代后期以來，發(fā)達國家新建的客輪、破冰船、渡輪約有30%已采用綜合全電力推進系統(tǒng)，且成流行趨勢；國內(nèi)民用船舶中全電力推進的應(yīng)用已有多種形式：如江南船廠為國外設(shè)計建造的3200噸全電力推進化學品運輸船、勝利油田的“勝利232”號工程船、我國2006年交工的首艘采用綜合全電力推進系統(tǒng)的火車滾裝渡船“中鐵渤海一號”。作為船舶主動力系統(tǒng)的綜合全電力推進系統(tǒng)由于其高效率、高可靠性、高自動化以及低維護也成為新世紀大型水面船舶青睞的主推進系統(tǒng)。
船舶綜合全電力推進系統(tǒng)包括：發(fā)電、輸電、配電、變電、拖動、推進、儲能、監(jiān)控和電力管理等諸，多功能多系統(tǒng)的復雜性也帶來了嚴重的諧波污染問題。綜合全電力推進系統(tǒng)各個功能模塊是否運行良好，是否相互協(xié)調(diào)好，關(guān)系著整個綜合全電力推進系統(tǒng)是否能具有良好的運行狀態(tài)和優(yōu)異的工作性能。
2 諧波及波形畸變的產(chǎn)生和危害
2.1 諧波來源
綜合全電力推進系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波來源主要有：
1）推進同步發(fā)電機。推進同步發(fā)電機產(chǎn)生的諧波電動勢是因轉(zhuǎn)子和定子之間空氣隙中的磁場非正弦分布所引起的。推進同步發(fā)電機每對磁極下氣隙中的磁場不可能完全按正弦分布，這是由磁極結(jié)構(gòu)所決定的。因此，電動勢中必然含有諧波分量。
2）變壓器。變壓器的勵磁回路具有非線性電感，因此，勵磁電流是非正弦波形，使得電流波形發(fā)生波形畸變。在空載時，非正弦的勵磁電流在變壓器原繞組的漏抗上產(chǎn)生壓降，使變壓器感應(yīng)電勢中包含諧波分量。變壓器空載合閘時，常常會出現(xiàn)很大的勵磁涌流。在嚴重的情況下，涌流波形強烈畸變，不但幅值可高達數(shù)十倍于額定空載電流，而且正負半波的波形極不對稱。這種涌流持續(xù)時間比較長，屬于準穩(wěn)定的非正弦波。特征諧波是整流設(shè)備產(chǎn)生波形畸變的主要成分。由于輸電系統(tǒng)的電壓等級高、輸送功率大，即使百分數(shù)很小的諧波分量也會對低壓設(shè)備及弱電設(shè)備產(chǎn)生不可忽視的騷擾。
3）變頻器。船舶綜合全電力推進系統(tǒng)采用變頻進行調(diào)速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣對船舶電網(wǎng)的電源質(zhì)量影響較大。變頻電路輸入電流的諧波分量十分復雜，其頻率不僅和輸入電源頻率、變頻電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且和變頻電路的輸出頻率有關(guān)。
在上述三個諧波源中推進同步發(fā)電機為諧波電壓源，變壓器為諧波電流源。對于諧波電流源的設(shè)備來說，即使供給它們的電壓是理想的正弦波，它們所取用的電流中也會含有諧波成分。諧波的含量取決于它們本身的特性和工作狀況。諧波電流注入船舶電網(wǎng)后，在船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗上引起諧波壓降，也會使電網(wǎng)系統(tǒng)中各點的電壓產(chǎn)生波形畸變。
2.2 諧波危害
諧波是影響電能質(zhì)量的重要因素之一，它通常是由電網(wǎng)中的非線性元件產(chǎn)生的。船舶電網(wǎng)中的諧波對船舶設(shè)備的運行會產(chǎn)生許多不利的影響：
1）使船舶發(fā)電機的效率降低；
2）使電氣設(shè)備出現(xiàn)過熱，振動和噪音的現(xiàn)象，并產(chǎn)生絕緣老化、使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀的結(jié)果；
3）諧波還會引起船舶繼電保護和自動控制裝置的可靠性降低，產(chǎn)生誤動作；
4）諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備也會產(chǎn)生嚴重干擾。因此，諧波對于船舶電網(wǎng)是一種電磁環(huán)境的污染。
微電子設(shè)備在船舶測量、控制、保護、操作等系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，它對電流波形有較高的要求，易遭受諧波干擾。綜合全電力推進系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波通過船舶電網(wǎng)對船上包括測量、保護、控制、操作等系統(tǒng)中的儀表、儀器和設(shè)備造成影響。如諧波對計算機的干擾主要是影響磁性元件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精度和性能，從而影響計算機處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量。諧波對船舶照明及生活用電等設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在增加損耗、降低壽命和運行性能劣化。諧波問題日益突出和嚴重，國內(nèi)外都發(fā)生過因諧波而引發(fā)的重大船舶事故。特別由于變頻驅(qū)動的使用，使電動機絕緣物以及電纜絕緣層迅速老化、甚至燒毀；共模電壓在電機轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出高的軸電壓，并形成軸承放電電流從而電腐蝕軸承，使電機在短期內(nèi)報廢；高頻傳導性和輻射性ＥＭＩ使變頻驅(qū)動系統(tǒng)可靠性下降，故障率增加，并影響電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備。因此，研究變頻器所帶來的負面效應(yīng)及其解決方法在電力推進系統(tǒng)中具有重要的理論意義和實用價值。
3 綜合電力推進系統(tǒng)諧波限制分析
為解決電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問題，傳統(tǒng)的手段是設(shè)置無功補償電容器和LC濾波器，這兩種方法結(jié)構(gòu)簡單，既可以抑制諧波，又可以補償無功功率，一直被廣泛應(yīng)用。但這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，此外，此種補償方法損耗大，又只能補償固定頻率的諧波，難以對變化的無功功率和諧波進行有效的動態(tài)補償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率和諧波進行快速動態(tài)補償?shù)男枨笤絹碓酱?。目前的趨勢是采用電力電子裝置進行諧波補償，即采用有源濾波器（Active Power Filter，APF）。
3.1 有源濾波器的優(yōu)勢
有源濾波器的主要優(yōu)點有：
(1)有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統(tǒng)阻抗不會產(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)?；a(chǎn)。
(2)當電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧波的危險，同時還能抑制串并聯(lián)諧振。
(3)原理上比PPF更為優(yōu)越，用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整流倍次的諧波電流，完成各次諧波的治理。
(4)實現(xiàn)動態(tài)補償，可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應(yīng)速度。
(5)由于裝置本身能完成輸出限制，當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發(fā)生過載，并且能正常發(fā)揮作用，不需要與系統(tǒng)斷開。
(6)具備多種補償功能，可以對無功功率和負序進行補償。
(7)諧波補償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
(8)可以對多個諧波源進行集中治理。
3.2 ANAPF系列有源
電力濾波裝置
安科瑞公司ANAPF系列有源電力濾波裝置作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，是諧波治理和無功補償?shù)淖罴堰x擇，是確保海上平臺電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有力保障。
3.2.1 工作原理
ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個和當前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實時注入電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償。
船舶綜合全電力推進系統(tǒng)是現(xiàn)行船舶平臺的電力和動力兩大系統(tǒng)發(fā)展的綜合，它適合于不同種類的船舶。世界各國都在針對船舶綜合全電力推進系統(tǒng)進行深入的研究，國外已經(jīng)開發(fā)了多種類型的綜合全電力推進系統(tǒng)并在多型船舶上應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，在80年代后期以來，發(fā)達國家新建的客輪、破冰船、渡輪約有30%已采用綜合全電力推進系統(tǒng)，且成流行趨勢；國內(nèi)民用船舶中全電力推進的應(yīng)用已有多種形式：如江南船廠為國外設(shè)計建造的3200噸全電力推進化學品運輸船、勝利油田的“勝利232”號工程船、我國2006年交工的首艘采用綜合全電力推進系統(tǒng)的火車滾裝渡船“中鐵渤海一號”。作為船舶主動力系統(tǒng)的綜合全電力推進系統(tǒng)由于其高效率、高可靠性、高自動化以及低維護也成為新世紀大型水面船舶青睞的主推進系統(tǒng)。
船舶綜合全電力推進系統(tǒng)包括：發(fā)電、輸電、配電、變電、拖動、推進、儲能、監(jiān)控和電力管理等諸，多功能多系統(tǒng)的復雜性也帶來了嚴重的諧波污染問題。綜合全電力推進系統(tǒng)各個功能模塊是否運行良好，是否相互協(xié)調(diào)好，關(guān)系著整個綜合全電力推進系統(tǒng)是否能具有良好的運行狀態(tài)和優(yōu)異的工作性能。
2 諧波及波形畸變的產(chǎn)生和危害
2.1 諧波來源
綜合全電力推進系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波來源主要有：
1）推進同步發(fā)電機。推進同步發(fā)電機產(chǎn)生的諧波電動勢是因轉(zhuǎn)子和定子之間空氣隙中的磁場非正弦分布所引起的。推進同步發(fā)電機每對磁極下氣隙中的磁場不可能完全按正弦分布，這是由磁極結(jié)構(gòu)所決定的。因此，電動勢中必然含有諧波分量。
2）變壓器。變壓器的勵磁回路具有非線性電感，因此，勵磁電流是非正弦波形，使得電流波形發(fā)生波形畸變。在空載時，非正弦的勵磁電流在變壓器原繞組的漏抗上產(chǎn)生壓降，使變壓器感應(yīng)電勢中包含諧波分量。變壓器空載合閘時，常常會出現(xiàn)很大的勵磁涌流。在嚴重的情況下，涌流波形強烈畸變，不但幅值可高達數(shù)十倍于額定空載電流，而且正負半波的波形極不對稱。這種涌流持續(xù)時間比較長，屬于準穩(wěn)定的非正弦波。特征諧波是整流設(shè)備產(chǎn)生波形畸變的主要成分。由于輸電系統(tǒng)的電壓等級高、輸送功率大，即使百分數(shù)很小的諧波分量也會對低壓設(shè)備及弱電設(shè)備產(chǎn)生不可忽視的騷擾。
3）變頻器。船舶綜合全電力推進系統(tǒng)采用變頻進行調(diào)速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣對船舶電網(wǎng)的電源質(zhì)量影響較大。變頻電路輸入電流的諧波分量十分復雜，其頻率不僅和輸入電源頻率、變頻電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且和變頻電路的輸出頻率有關(guān)。
在上述三個諧波源中推進同步發(fā)電機為諧波電壓源，變壓器為諧波電流源。對于諧波電流源的設(shè)備來說，即使供給它們的電壓是理想的正弦波，它們所取用的電流中也會含有諧波成分。諧波的含量取決于它們本身的特性和工作狀況。諧波電流注入船舶電網(wǎng)后，在船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗上引起諧波壓降，也會使電網(wǎng)系統(tǒng)中各點的電壓產(chǎn)生波形畸變。
2.2 諧波危害
諧波是影響電能質(zhì)量的重要因素之一，它通常是由電網(wǎng)中的非線性元件產(chǎn)生的。船舶電網(wǎng)中的諧波對船舶設(shè)備的運行會產(chǎn)生許多不利的影響：
1）使船舶發(fā)電機的效率降低；
2）使電氣設(shè)備出現(xiàn)過熱，振動和噪音的現(xiàn)象，并產(chǎn)生絕緣老化、使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀的結(jié)果；
3）諧波還會引起船舶繼電保護和自動控制裝置的可靠性降低，產(chǎn)生誤動作；
4）諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備也會產(chǎn)生嚴重干擾。因此，諧波對于船舶電網(wǎng)是一種電磁環(huán)境的污染。
微電子設(shè)備在船舶測量、控制、保護、操作等系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，它對電流波形有較高的要求，易遭受諧波干擾。綜合全電力推進系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波通過船舶電網(wǎng)對船上包括測量、保護、控制、操作等系統(tǒng)中的儀表、儀器和設(shè)備造成影響。如諧波對計算機的干擾主要是影響磁性元件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精度和性能，從而影響計算機處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量。諧波對船舶照明及生活用電等設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在增加損耗、降低壽命和運行性能劣化。諧波問題日益突出和嚴重，國內(nèi)外都發(fā)生過因諧波而引發(fā)的重大船舶事故。特別由于變頻驅(qū)動的使用，使電動機絕緣物以及電纜絕緣層迅速老化、甚至燒毀；共模電壓在電機轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出高的軸電壓，并形成軸承放電電流從而電腐蝕軸承，使電機在短期內(nèi)報廢；高頻傳導性和輻射性ＥＭＩ使變頻驅(qū)動系統(tǒng)可靠性下降，故障率增加，并影響電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備。因此，研究變頻器所帶來的負面效應(yīng)及其解決方法在電力推進系統(tǒng)中具有重要的理論意義和實用價值。
3 綜合電力推進系統(tǒng)諧波限制分析
為解決電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問題，傳統(tǒng)的手段是設(shè)置無功補償電容器和LC濾波器，這兩種方法結(jié)構(gòu)簡單，既可以抑制諧波，又可以補償無功功率，一直被廣泛應(yīng)用。但這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，此外，此種補償方法損耗大，又只能補償固定頻率的諧波，難以對變化的無功功率和諧波進行有效的動態(tài)補償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率和諧波進行快速動態(tài)補償?shù)男枨笤絹碓酱?。目前的趨勢是采用電力電子裝置進行諧波補償，即采用有源濾波器（Active Power Filter，APF）。
3.1 有源濾波器的優(yōu)勢
有源濾波器的主要優(yōu)點有：
(1)有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統(tǒng)阻抗不會產(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)?；a(chǎn)。
(2)當電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧波的危險，同時還能抑制串并聯(lián)諧振。
(3)原理上比PPF更為優(yōu)越，用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整流倍次的諧波電流，完成各次諧波的治理。
(4)實現(xiàn)動態(tài)補償，可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應(yīng)速度。
(5)由于裝置本身能完成輸出限制，當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發(fā)生過載，并且能正常發(fā)揮作用，不需要與系統(tǒng)斷開。
(6)具備多種補償功能，可以對無功功率和負序進行補償。
(7)諧波補償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
(8)可以對多個諧波源進行集中治理。
3.2 ANAPF系列有源
電力濾波裝置
安科瑞公司ANAPF系列有源電力濾波裝置作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，是諧波治理和無功補償?shù)淖罴堰x擇，是確保海上平臺電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有力保障。
3.2.1 工作原理
ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個和當前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實時注入電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償。
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